JP2023006063A - コールドヘッド装着構造および極低温装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スリーブレスのコールドヘッド装着構造を提供する。【解決手段】コールドヘッド装着構造50は、真空容器30内の真空領域32に配置され、真空容器30に対するコールドヘッド20aの移動によりコールドヘッド20aの冷却ステージ22と接触または離間する伝熱ステージ52と、周囲環境14から真空領域32を隔絶するとともに真空容器30に対するコールドヘッド20aの移動を許容するようにコールドヘッド20aを真空容器30に接続する気密接続部54と、伝熱ステージ52を真空容器30に支持し、コールドヘッド20aの冷却ステージ22が真空領域32にさらされるようにコールドヘッド20aの周囲に配置される非気密性の支持構造56と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、コールドヘッド装着構造および極低温装置に関する。
極低温冷凍機は、例えば超伝導装置など極低温で動作する機器を極低温に冷却するために利用されている。極低温冷凍機は、被冷却物(例えば超伝導コイル)を収容した真空容器に設置される。このような極低温装置を長期的に運転するなかで、極低温冷凍機の点検や修理、交換などメンテナンスが必要になることがある。
従来、いわゆるメンテナンススリーブを介して極低温冷凍機のコールドヘッドを真空容器に装着することが知られている。メンテナンススリーブは、真空容器の気密性を保つように構成され、真空容器の壁から内部へと延びており、このスリーブの内側にコールドヘッドが取り外し可能に装着される。これにより、真空容器内の被冷却物を極低温に冷却したままで、コールドヘッドを真空容器から取り外し、コールドヘッドにメンテナンスをして、再び真空容器に取り付けることができる。スリーブが無かった場合コールドヘッドのメンテナンスには、事前に被冷却物の常温(例えば300K程度)への昇温とメンテナンス後に極低温への再冷却が必要となるが、これには相当の時間がかかり、とくに大型の被冷却物では数日またはそれ以上にもなることがある。メンテナンススリーブを採用することで昇温と再冷却の時間は不要となり、メンテナンスを短時間で済ませることができる。
上述のメンテナンススリーブでは、極低温冷却中、コールドヘッドをスリーブに良好に熱接触させるために強い力でコールドヘッドがスリーブに押し付けられる。そのため、スリーブはこれに耐えるよう頑丈でなければならない。加えて、スリーブには気密性を保持する構造が求められる。これらの要件を満たすために、メンテナンススリーブは、比較的複雑な構造をとり、また製造コストも高くなりがちである。
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、スリーブレスのコールドヘッド装着構造を提供することにある。
本発明のある態様によると、コールドヘッド装着構造は、真空容器内の真空領域に配置され、真空容器に対するコールドヘッドの移動によりコールドヘッドの冷却ステージと接触または離間する伝熱ステージと、周囲環境から真空領域を隔絶するとともに真空容器に対するコールドヘッドの移動を許容するようにコールドヘッドを真空容器に接続する気密接続部と、伝熱ステージを真空容器に支持し、コールドヘッドの冷却ステージが真空領域にさらされるようにコールドヘッドの周囲に配置される非気密性の支持構造と、を備える。
本発明のある態様によると、極低温装置は、真空領域を内部に定める真空容器と、冷却ステージを備え、真空容器に装着されるコールドヘッドと、真空容器内の真空領域に配置され、真空容器に対するコールドヘッドの移動によりコールドヘッドの冷却ステージと接触または離間する伝熱ステージと、周囲環境から真空領域を隔絶するとともに前真空容器に対するコールドヘッドの移動を許容するようにコールドヘッドを真空容器に接続する気密接続部と、伝熱ステージを真空容器に支持し、コールドヘッドの冷却ステージが真空領域にさらされるようにコールドヘッドの周囲に配置される非気密性の支持構造と、を備える。
本発明によれば、スリーブレスのコールドヘッド装着構造を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図1および図2は、実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。図3は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を模式的に示す斜視図である。図1および図3には、極低温装置内の被冷却物が極低温装置に設けられた極低温冷凍機のコールドヘッドと熱的に結合された状態が示され、図2には、コールドヘッドと被冷却物の熱的な結合が解除された状態が示されている。後述するように、コールドヘッド装着構造に対するコールドヘッドの移動により、コールドヘッドと被冷却物を熱接触させ、または熱接触を解除することができる。
極低温装置10は、被冷却物の一例としての超伝導コイル12を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル12の使用中、超伝導コイル12を極低温に維持するように構成される。超伝導コイル12は、例えば単結晶引き上げ装置、NMRシステム、MRIシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器(図示せず)の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。超伝導コイル12は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で超伝導コイル12に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。
極低温装置10は、極低温冷凍機20と、真空容器30と、輻射熱シールド40と、コールドヘッド装着構造50とを備える。詳細は後述するが、極低温冷凍機20がコールドヘッド装着構造50を介して真空容器30に装着される。コールドヘッド装着構造50は極低温冷凍機20とともに、被冷却物を冷却する冷却装置を構成するとも言える。コールドヘッド装着構造50は、極低温冷凍機20(及び/または真空容器30)とともに、極低温冷凍機20の製造業者により顧客に提供されてもよい。
極低温冷凍機20は、この実施の形態においては、二段式のギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機である。極低温冷凍機20は、二段式のコールドヘッド20aと、圧縮機20bとを備える。圧縮機20bは、真空容器30の外側となる周囲環境14に配置されている。周囲環境14は例えば室温の大気圧環境である。
圧縮機20bは、極低温冷凍機20の冷媒ガスをコールドヘッド20aから回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド20aに供給するよう構成されている。コールドヘッド20aは、膨張機とも称され、供給された冷媒ガスを内部の膨張室で断熱膨張させることにより寒冷を発生させることができる。圧縮機20bとコールドヘッド20aとの間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド20aでの冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機20の冷凍サイクル(例えばGMサイクル)が構成され、それによりコールドヘッド20aの各冷却ステージが所望の極低温に冷却される。コールドヘッド20aと圧縮機20bは、フレキシブル管などの冷媒ガス配管により接続される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。
コールドヘッド20aは、冷却ステージ22、具体的には、第1冷却ステージ22aと第2冷却ステージ22bを備える。極低温冷凍機20が動作することによって、第1冷却ステージ22aは、第1冷却温度、例えば30K~80Kに冷却され、第2冷却ステージ22bは、第1冷却温度よりも低い第2冷却温度、例えば3K~20Kに冷却される。第2冷却温度は、超伝導コイル12の超伝導転移温度より低い温度である。
また、コールドヘッド20aは、第1シリンダ24aと、第2シリンダ24bと、駆動部26と、取付フランジ28とを備える。第1シリンダ24aは、取付フランジ28を第1冷却ステージ22aに接続し、第2シリンダ24bは、第1冷却ステージ22aを第2冷却ステージ22bに接続する。駆動部26は、第1シリンダ24aとは反対側で取付フランジ28に取り付けられている。
コールドヘッド20aが真空容器30に装着されるとき、コールドヘッド20aは真空容器30のコールドヘッド挿入口31に挿入され、取付フランジ28が真空容器30の外側でコールドヘッド挿入口31に取り付けられる。こうして、コールドヘッド20aは、第1シリンダ24a、第1冷却ステージ22a、第2シリンダ24b、第2冷却ステージ22bが真空容器30内の真空領域32に配置されるとともに、駆動部26が周囲環境14に配置されるようにして、真空容器30に設置される。
図示される例では、コールドヘッド挿入口31は、真空容器30の天板に形成され、コールドヘッド20aは、その中心軸を鉛直方向に平行とするようにして、駆動部26を上方にかつ冷却ステージ22を下方に向けて、真空容器30に設置される。ただし、コールドヘッド20aの設置の向きはこのような縦向きに限定されず、横向きや斜めなど他の向きで設置されてもよい。コールドヘッド挿入口31は、真空容器30の側面や底面など任意の面に形成されてもよい。
典型的に、第1シリンダ24aと第2シリンダ24bは、円筒形状を有する部材であり、第2シリンダ24bが第1シリンダ24aよりも小径である。第1冷却ステージ22aと第2冷却ステージ22bはそれぞれ、第1シリンダ24aと第2シリンダ24bの先端に固着された円柱状の部材である。第1シリンダ24a、第1冷却ステージ22a、第2シリンダ24b、第2冷却ステージ22bは、コールドヘッド20aの中心軸に沿って同軸に配置されている。
第1冷却ステージ22aおよび第2冷却ステージ22bは、例えば銅(例えば純銅)などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。第1シリンダ24aと第2シリンダ24bは、例えばステンレスなどの金属で形成されている。冷却ステージ22を形成する熱伝導材料の熱伝導率は、シリンダを形成する材料の熱伝導率より高い。
極低温冷凍機20がギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機である場合、第1シリンダ24aと第2シリンダ24bにはそれぞれ、蓄冷材を内蔵した第1ディスプレーサと第2ディスプレーサが収容されている。第1ディスプレーサと第2ディスプレーサは互いに連結され、それぞれ第1シリンダ24aと第2シリンダ24bに沿って往復動可能である。
駆動部26は、モータと、モータの出力する回転運動を第1ディスプレーサと第2ディスプレーサの軸方向往復動に変換するようにモータをこれらディスプレーサに連結する連結機構とを備える。また、駆動部26には、このモータによってディスプレーサと同期して駆動される圧力切替バルブも収納されている。圧力切替バルブは、コールドヘッド20aへの高圧冷媒ガスの受け入れと低圧冷媒ガスの送出を周期的に切り替えるよう構成されている。
なお、図1では例として、1台の極低温冷凍機20を示しているが、極低温装置10は、複数台の極低温冷凍機20を備えてもよい。極低温冷凍機20ごとにコールドヘッド装着構造50が設けられてもよい。
真空容器30は、真空領域32を周囲環境14から隔てるように構成される。真空領域32は、真空容器30の内部に定められる。真空容器30は、例えばクライオスタットであってもよい。超伝導コイル12、極低温冷凍機20の冷却ステージ22、輻射熱シールド40は、真空領域32に配置され、周囲環境14から真空断熱される。断熱性能を高めるために、真空領域32を周囲環境14から隔てる真空容器30の壁部材の表面に沿って、または壁部材の内部に、断熱材料が設けられていてもよい。
輻射熱シールド40は、コールドヘッド装着構造50を介して第1冷却ステージ22aと熱的に結合され第1冷却温度に冷却される。輻射熱シールド40は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。輻射熱シールド40は、第2冷却温度に冷却される超伝導コイル12、極低温冷凍機20の第2冷却ステージ22b、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。
コールドヘッド装着構造50は、コールドヘッド20aを真空容器30に装着するための器具であり、真空容器30のコールドヘッド挿入口31に設けられている。コールドヘッド装着構造50にコールドヘッド20aが装着されたとき、コールドヘッド20aによってコールドヘッド挿入口31が塞がれ、真空領域32が周囲環境14から隔絶される。また、コールドヘッド装着構造50は、コールドヘッド20aがその中心軸の方向に真空容器30に対して移動可能となるようにコールドヘッド20aを支持する。コールドヘッド装着構造50は、真空容器30に対するコールドヘッド20aの移動により、コールドヘッド20aを真空容器30内の被冷却物(例えば超伝導コイル12)と熱的に結合し、またはこの熱的結合を解除する熱スイッチとして真空容器30に設置されている。
コールドヘッド装着構造50は、伝熱ステージ52と、気密接続部54と、非気密性の支持構造56とを備える。
コールドヘッド装着構造50も、コールドヘッド20aに対応して二段式に構成される。よって、伝熱ステージ52には、第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bが含まれる。第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bはともに、真空容器30内の真空領域32に配置される。第1伝熱ステージ52a、第2伝熱ステージ52bはそれぞれ、真空容器30に対するコールドヘッドの移動により、第1冷却ステージ22a、第2冷却ステージ22bと接触または離間する。これら伝熱ステージ52は、冷却ステージ22と同様に、例えば銅(例えば純銅)などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。
第1伝熱ステージ52aは、輻射熱シールド40と第1柔軟伝熱部材58aを介して接続される。柔軟伝熱部材は、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、銅などの高熱伝導材料で形成されてもよい。したがって、第1冷却ステージ22aが第1伝熱ステージ52aと接触するとき、第1冷却ステージ22aは、第1伝熱ステージ52aと第1柔軟伝熱部材58aを介して、輻射熱シールド40と熱的に結合される。第1冷却ステージ22aが第1伝熱ステージ52aから離間するとき、第1冷却ステージ22aと輻射熱シールド40の熱的結合は解除される。
第2伝熱ステージ52bは、伝熱部材42と第2柔軟伝熱部材58bを介して接続される。超伝導コイル12は、伝熱部材42上に設置され、または伝熱部材42と接続されている。伝熱部材42は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材であってもよく、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。なお、伝熱部材42は必須ではなく、第2伝熱ステージ52bは、超伝導コイル12と第2柔軟伝熱部材58bを介して接続されてもよい。
第2冷却ステージ22bが第2伝熱ステージ52bと接触するとき、第2冷却ステージ22bは、第2伝熱ステージ52b、第2柔軟伝熱部材58b、伝熱部材42を介して、超伝導コイル12と熱的に結合される。これにより、第2冷却ステージ22bは、超伝導コイル12を第2冷却温度に冷却することができる。第2冷却ステージ22bが第2伝熱ステージ52bから離間するとき、第2冷却ステージ22bと超伝導コイル12の熱的結合は解除される。
気密接続部54は、周囲環境14から真空領域32を隔絶するとともに真空容器30に対するコールドヘッド20aの移動を許容するようにコールドヘッド20aを真空容器30に接続する。この実施の形態では、気密接続部54は、コールドヘッド20aの移動方向(すなわち中心軸の方向)に伸縮可能な気密隔壁60を備え、この気密隔壁60は例えばベローズである。この伸縮可能な気密隔壁60は、コールドヘッド20aの取付フランジ28を真空容器30のコールドヘッド挿入口31に接続する。気密隔壁60の外側は周囲環境14であり、内側にはコールドヘッド20aの第1シリンダ24aが挿通されており、真空領域32となっている。気密隔壁60は、コールドヘッド20aがコールドヘッド挿入口31に挿し込まれる方向に移動するとき(図1では下方に移動するとき)縮み、反対にコールドヘッド20aがコールドヘッド挿入口31から引き抜かれる方向に移動するとき(図2に示されるように上方に移動するとき)伸びる。
また、気密接続部54は、ガイド部62を備える。ガイド部62は、真空容器30の外側で気密隔壁61の周囲に配置され、真空容器30に固定されている。一例として、ガイド部62は、図3に示されるように、ガイドプレート62aと、支持部62bとを備える。ガイドプレート62aは、気密隔壁60を囲むように配置されたリング状のプレートであり、取付フランジ28と概ね同径であってもよい。支持部62bはガイドプレート62aの下側に設けられ、支持部62bを介してガイドプレート62aは真空容器30に取り付けられている。支持部62bはガイドプレート62aに沿って周方向に複数箇所(例えば4箇所)に設けられてもよく、そのうち3つの支持部62bが図3に示されている。
コールドヘッド20aがコールドヘッド装着構造50に装着されるとき、コールドヘッド20aの取付フランジ28がガイドプレート62aの上面に接触し、例えばボルトなどの締結部材を用いてガイドプレート62aと締結される。締結は解除することができ、そのとき取付フランジ28はガイド部62に沿って移動可能となる。ガイドプレート62aの上面にはガイドピン62c(図3参照)が立設しており、取付フランジ28にはこのガイドピン62cに対応するガイド穴が形成されている。ガイドピン62cは、コールドヘッド20aの軸方向の移動の際、当該方向に取付フランジ28をガイドする。
コールドヘッド20aを真空容器30に対して移動させるために、後述するように、コールドヘッド装着構造50は、コールドヘッド20aを真空容器30に対して昇降させる昇降機構64を備える。取付フランジ28には操作プレート29(図3参照)が設けられ、昇降機構64はこの操作プレート29をコールドヘッド20aの軸方向に昇降させるように構成されてもよい。昇降機構64による操作を容易にするために、操作プレート29は取付フランジ28から径方向外側に向けて延びている。図3では一例として、2つの操作プレート29が取付フランジ28の両側に取り付けられている。操作プレート29は、取付フランジ28と一体であってもよい。
非気密性の支持構造56は、真空容器30内の真空領域32に配置される。支持構造56は、伝熱ステージ52を真空容器30に支持し、コールドヘッド20aの冷却ステージ22が真空領域32にさらされるようにコールドヘッド20aの周囲に配置される。
より具体的には、支持構造56は、真空容器30のコールドヘッド挿入口31から伝熱ステージ52へと延びる複数(例えば4本)の支持棒66を備える。複数の支持棒66は、コールドヘッド20aの周囲に、例えば周方向に等間隔に配置されている。複数の支持棒66の各々は、コールドヘッド20aの中心軸と平行に、第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bを貫通して延びている。図3に示されるように、コールドヘッド20aの周囲には少数の支持棒66が設けられるにすぎず、コールドヘッド20aは、真空容器30内の真空領域32に開放されている。よって、コールドヘッド20aの周囲の空間は常時、真空領域32と同じ圧力となる。真空領域32が真空に保たれている限り、コールドヘッド20aの周囲の空間も真空となる。
これは、従来のコールドヘッド装着構造とは異なる。典型的に、従来のコールドヘッド装着構造には、コールドヘッド挿入口31から真空容器30内に延びその中にコールドヘッドを収容する気密スリーブが設けられ、このスリーブによってコールドヘッド周囲の空間が真空領域32から隔絶される。従来のコールドヘッド装着構造ではコールドヘッドは真空領域32にさらされない。真空領域32から隔絶されたコールドヘッド周囲の空間は、ヘリウムガスのような極低温で液化しない不活性ガスで充填されることがある。または、コールドヘッド周囲の空間は真空排気されることもある。しかし、いずれにせよ、コールドヘッド周囲の空間は真空領域32から隔絶されているから、真空領域32と異なる圧力(たいてい、真空領域32よりも高い圧力)となる。
複数の支持棒66のうち少なくとも1つの支持棒66は、中空である。すべての支持棒66が中空であってもよい。支持棒66が中実のロッドである場合に比べて、支持棒66の断面積が小さくなり、周囲環境14から支持棒66を通じた真空容器30内の低温部への侵入熱を低減することができる。一例として、支持棒66は、円形の断面を有するが、長方形または六角形など多角形や、L字状など、他の任意の形状の断面を有してもよい。なお支持棒66は中実のロッドであってもよい。
支持棒66は、たとえば繊維強化プラスチック(FRP)などの断熱材料で形成される。あるいは、支持棒66は、たとえばステンレス鋼など、極低温装置10において伝熱経路を形成する高熱伝導材料よりも熱伝導率が小さい材料で形成されてもよい。
すべての支持棒66が同じ形状および寸法を有することは必須ではない。ある支持棒66が他の支持棒66と異なる断面をもつことにより、コールドヘッド20aがコールドヘッド装着構造50に押し付けられたとき発生しうる偏荷重の影響が緩和されてもよい。
支持構造56は、複数の支持棒66に装着された第1スプリング部68aおよび第2スプリング部68bを備える。各支持棒66が第1スプリング部68aと第2スプリング部68bを有する。第1スプリング部68aは、第1伝熱ステージ52aの下側で支持棒66に装着されている。第2スプリング部68bは、第2伝熱ステージ52bの下側で支持棒66に装着されている。スプリング部は、例えば、コイル状のスプリングまたはその他のスプリングを備えてもよい。
複数の支持棒66は、第1スプリング部68aを介して第1伝熱ステージ52aを弾性的に支持するとともに、コールドヘッド20aの移動方向における第1伝熱ステージ52aの移動をガイドする。また、複数の支持棒66は、第2スプリング部68bを介して第2伝熱ステージ52bを弾性的に支持するとともに、コールドヘッド20aの移動方向における第2伝熱ステージ52bの移動をガイドする。
また、支持構造56は、第1ストッパー70aと第2ストッパー70bを備える。第1ストッパー70aは、真空容器30のコールドヘッド挿入口31に近づく方向の第1伝熱ステージ52aの移動に関してその移動量を規制する。第1ストッパー70aは、第1伝熱ステージ52aに対して第1スプリング部68aとは反対側で支持棒66に設けられている。第1ストッパー70aは、支持棒66からその径方向に突出した凸部またはフランジ状の部位であり、第1伝熱ステージ52aが支持棒66に沿って移動するとき第1ストッパー70aに当たることにより第1伝熱ステージ52aの移動が規制される。同様に、第2ストッパー70bは、真空容器30のコールドヘッド挿入口31に近づく方向の第2伝熱ステージ52bの移動に関してその移動量を規制する。第2ストッパー70bは、第2伝熱ステージ52bに対して第2スプリング部68bとは反対側で支持棒66に設けられている。第2ストッパー70bは、支持棒66からその径方向に突出した凸部またはフランジ状の部位であり、第2伝熱ステージ52bが支持棒66に沿って移動するとき第2ストッパー70bに当たることにより第2伝熱ステージ52bの移動が規制される。
なお、第1スプリング部68a、第2スプリング部68bはそれぞれ、第1伝熱ステージ52a、第2伝熱ステージ52bの上側で支持棒66に装着されてもよい。この場合、第1スプリング部68a、第2スプリング部68bがそれぞれ、真空容器30のコールドヘッド挿入口31に近づく方向の第1伝熱ステージ52a、第2伝熱ステージ52bの移動を規制する第1ストッパー70a、第2ストッパー70bとして機能してもよい。
なお、真空容器30内に配置される機器、例えば超伝導コイル12、輻射熱シールド40などの被冷却物が、支持構造56と構造的に連結され、支持構造56によって支持されてもよい。このようにすれば、真空容器30から真空容器30内の被冷却物への伝熱経路を支持構造56に限定することができ、被冷却物への侵入熱を低減することができる。あるいは、真空容器30内の被冷却物は、図示しない支持部材により真空容器30の壁に連結され、真空容器30に支持されてもよい。
図4(a)は、実施の形態に係る第1伝熱ステージ52aを模式的に示す平面図であり、図4(b)は、実施の形態に係る第2伝熱ステージ52bを模式的に示す平面図である。図4(a)および図4(b)はそれぞれ、第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bをコールドヘッド挿入口31側から見た上面図を示す。
図4(a)に示されるように、第1伝熱ステージ52aは、中心開口71と、第1接触面72と、複数の第1ガイド穴73とを有する。中心開口71は、コールドヘッド20aのための貫通穴であり、コールドヘッド20aがコールドヘッド装着構造50に装着されるとき、コールドヘッド20aの第2シリンダ24bが中心開口71に挿し通される。第1接触面72は、中心開口71を囲む第1伝熱ステージ52aの部位であり、第1冷却ステージ22aと対向する第1伝熱ステージ52aの上面にある。第1冷却ステージ22aが第1接触面72と接触することにより、第1冷却ステージ22aと第1伝熱ステージ52aが熱的に結合される。複数の第1ガイド穴73は、複数の支持棒66のための貫通穴であり、各第1ガイド穴73に対応する支持棒66が挿入され、それにより、第1伝熱ステージ52aが支持棒66に沿ってガイドされることができる。第1ガイド穴73は、中心開口71および第1接触面72よりも径方向外側で、支持棒66と同様に周方向に等間隔に設けられている。図示されるように、第1伝熱ステージ52aは、例えば円板形状を有するが、他の任意の形状を有してもよい。
図4(b)に示されるように、第2伝熱ステージ52bは、その中心部に第2接触面74を有し、第2接触面74の径方向外側に複数の第2ガイド穴75を有する。第2接触面74は、第2冷却ステージ22bと対向する第2伝熱ステージ52bの上面にあり、第2冷却ステージ22bが第2接触面74と接触することにより、第2冷却ステージ22bと第2伝熱ステージ52bが熱的に結合される。複数の第2ガイド穴75は、複数の支持棒66のための貫通穴であり、各第2ガイド穴75に対応する支持棒66が挿入され、それにより、第2伝熱ステージ52bが支持棒66に沿ってガイドされることができる。第2伝熱ステージ52bは、例えば円板形状を有するが、他の任意の形状を有してもよい。
図5(a)および図5(b)は、実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造50に設けられる昇降機構64を模式的に示す図である。この実施の形態では、昇降機構64は、コールドヘッド20aをコールドヘッド装着構造50に押し込むための加圧装置64aと、逆にコールドヘッド20aをコールドヘッド装着構造50から持ち上げるための持上機構64bとを備える。
図5(a)に示されるように、加圧装置64aは、真空容器30の外側でガイド部62の近傍に設置される。加圧装置64aは、例えば油圧ジャッキなど、押し付け力を発生させる適宜の装置であってもよい。加圧装置64aは、図中の矢印で示されるように、操作プレート29に押し付け力を作用させ、操作プレート29をガイド部62に向けて押し当てることができる。このとき、操作プレート29は、ガイドピン62cに沿って移動し、支持部62bで支持されたガイドプレート62aと接触する。上述のように複数(例えば2つ)の操作プレート29が設けられている場合、操作プレート29ごとに加圧装置64aが設けられてもよい。このようにして、加圧装置64aは、コールドヘッド20aをコールドヘッド装着構造50に押し込むことができる。加圧装置64aは、コールドヘッド20aを押し込むために一時的に設置されるものであるが、これに代えて、常設の昇降機構64が設けられてもよい。
図5(b)に示されるように、持上機構64bは、操作プレート29に設けられたボルト穴64b1(図5(a)参照)にねじ込まれた押しボルト64b2であってもよい。押しボルト64b2の先端を真空容器30(またはガイド部62)に押し当てた状態で押しボルト64b2を回転させることによって、持上機構64bは、図中の矢印で示されるように、操作プレート29をガイド部62から持ち上げることができる。操作プレート29は、ガイドピン62cに沿って移動し、ガイドプレート62aから離れる。こうして、持上機構64bは、コールドヘッド20aをコールドヘッド装着構造50から持ち上げることができる。
あるいは、加圧装置64aに代えて、持上機構64bがコールドヘッド20aをコールドヘッド装着構造50に押し込むために用いられてもよい。押しボルト64b2を逆回転させることによって、持上機構64bは、コールドヘッド20aをコールドヘッド装着構造50に押し込むことができる。また、持上機構64bに代えて、加圧装置64aがコールドヘッド20aをコールドヘッド装着構造50から持ち上げるために用いられてもよい。
次に、図1および図2を参照して、真空容器30に対するコールドヘッド20aの移動によってコールドヘッド20aと真空容器30内の被冷却物との熱的な結合とその解除の切替動作を説明する。
図2に示されるように、コールドヘッド20aとコールドヘッド装着構造50の熱接触が解除された状態においては、コールドヘッド20aが可動範囲の末端例えば上端に位置する。このとき、コールドヘッド20aの取付フランジ28は、コールドヘッド装着構造50のガイド部62から離れている。気密接続部54の気密隔壁60は伸長されており、気密接続部54によって真空領域32は周囲環境14から隔絶されている。
また、第1冷却ステージ22aが第1伝熱ステージ52aから物理的に離れ、第2冷却ステージ22bが第2伝熱ステージ52bから物理的に離れているので、極低温冷凍機20から真空容器30内の被冷却物(例えば輻射熱シールド40および超伝導コイル12)への伝熱経路は遮断される。
第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bは初期位置にある。例えば、第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bはそれぞれ、第1ストッパー70aと第2ストッパー70bにそれぞれ接触していてもよい。このとき、第1スプリング部68aと第2スプリング部68bは、未圧縮の中立状態にあり、または第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bをそれぞれいくらかの予荷重で第1ストッパー70aと第2ストッパー70bに押し当ててもよい。あるいは、第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bはそれぞれ、第1ストッパー70aと第2ストッパー70bからいくらか離れていてもよく、第1スプリング部68aと第2スプリング部68bは中立状態にあってもよい。
コールドヘッド20aと真空容器30内の被冷却物を熱的に結合するために、上述の昇降機構64例えば加圧装置64aを作動させ、それによりコールドヘッド20aがコールドヘッド装着構造50へと押し込まれる。このとき、コールドヘッド20aの取付フランジ28は、コールドヘッド装着構造50のガイド部62へと接近し、気密接続部54の気密隔壁60は縮む。気密接続部54によって真空領域32は依然として周囲環境14から隔絶されている。
コールドヘッド装着構造50に対するコールドヘッド20aの移動により、第1冷却ステージ22aと第2冷却ステージ22bがそれぞれ、第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bに接近し、やがて物理的に接触する。コールドヘッド20aがさらに押し込まれると、第1冷却ステージ22aは第1伝熱ステージ52aを移動させ、第1伝熱ステージ52aは第1スプリング部68aを圧縮しながら支持棒66に沿って移動する。同様に、第2冷却ステージ22bは第2伝熱ステージ52bを移動させ、第2伝熱ステージ52bは第2スプリング部68bを圧縮しながら支持棒66に沿って移動する。このとき第1伝熱ステージ52aの輻射熱シールド40に対する移動は第1柔軟伝熱部材58aによって許容され、第2伝熱ステージ52bの超伝導コイル12に対する移動は第2柔軟伝熱部材58bによって許容される。
図1に示されるように、コールドヘッド20aの取付フランジ28がコールドヘッド装着構造50のガイド部62に接触すると(すなわち上述のように、取付フランジ28がガイドピン62cに沿って移動しガイドプレート62aに接触すると)、コールドヘッド20aの移動は止まる。例えばボルトなどの締結部材を用いて取付フランジ28がガイドプレート62aと締結され、コールドヘッド20aがコールドヘッド装着構造50に固定される。その後、加圧装置64aによる操作プレート29および取付フランジ28への押付荷重は解除される。
このようにして、コールドヘッド20aが可動範囲の反対側の末端例えば下端まで移動され、コールドヘッド20aとコールドヘッド装着構造50が熱的に結合される。第1冷却ステージ22aは第1伝熱ステージ52aを介して輻射熱シールド40と熱的に結合され、輻射熱シールド40はコールドヘッド20aによって第1冷却温度に冷却される。第2冷却ステージ22bは第2伝熱ステージ52bを介して超伝導コイル12と熱的に結合され、超伝導コイル12はコールドヘッド20aによって第2冷却温度に冷却される。
圧縮された第1スプリング部68aは第1冷却ステージ22aと第1伝熱ステージ52aとの間に所定の接触面圧を生じさせ、これにより第1冷却ステージ22aと第1伝熱ステージ52aの間に良好な熱接触が実現される。また、圧縮された第2スプリング部68bは第2冷却ステージ22bと第2伝熱ステージ52bとの間に所定の接触面圧を生じさせ、これにより第2冷却ステージ22bと第2伝熱ステージ52bの間に良好な熱接触が実現される。このように伝熱ステージごとにスプリング部を設けることで、スプリング部ごとに異なる弾性的特性を与えることができ、それにより伝熱ステージごとに個別に接触面圧を調整することができる。
また、スプリング部を用いて冷却ステージ22と伝熱ステージ52を押し付け合うことにより、冷却ステージ22と伝熱ステージ52が極低温冷却によって熱収縮したとしても接触状態を容易に保つことができるという利点もある。コールドヘッド20aの個体差によってコールドヘッド20aとコールドヘッド装着構造50の中心軸が互いにわずかにずれている場合にも、スプリング部を用いて冷却ステージ22と伝熱ステージ52を押し付け合うことにより、冷却ステージ22と伝熱ステージ52の接触状態を容易に保つことができる。
コールドヘッド20aと被冷却物の熱的結合を解除する場合には、まず、コールドヘッド20aとコールドヘッド装着構造50の締結が解除される。そして、上述の昇降機構64例えば持上機構64bによってコールドヘッド20aがコールドヘッド装着構造50から持ち上げられる。具体的には、押しボルト64b2が操作プレート29のボルト穴64b1にねじ込まれ、押しボルト64b2の先端が真空容器30に突き当てられた状態で押しボルト64b2が回転され、操作プレート29がガイド部62から持ち上げられる。コールドヘッド20aの取付フランジ28がコールドヘッド装着構造50のガイド部62から離れ、気密接続部54の気密隔壁60が伸長される。
コールドヘッド装着構造50に対するコールドヘッド20aの移動により、第1冷却ステージ22aが第1伝熱ステージ52aから持ち上げられ、第2冷却ステージ22bが第2伝熱ステージ52bから持ち上げられる。第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bはそれぞれ第1スプリング部68aと第2スプリング部68bによって第1冷却ステージ22aと第2冷却ステージ22bに押し付けられている。そのため、第1冷却ステージ22aと第2冷却ステージ22bの移動量が小さいとき、第1冷却ステージ22aと第1伝熱ステージ52aの接触、および第2冷却ステージ22bと第2伝熱ステージ52bの接触が保持されるかもしれない。
そこで、確実に接触を解除するために、第1冷却ステージ22aと第2冷却ステージ22bがそれぞれ第1ストッパー70aと第2ストッパー70bよりも上方まで移動されるように、コールドヘッド20aは持ち上げられる。このようにすれば、第1ストッパー70aと第2ストッパー70bが第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bの上方移動を規制することができ、第1冷却ステージ22aと第2冷却ステージ22bをそれぞれ第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bから確実に離間させることができる。
このようにして、図2に示されるように、第1冷却ステージ22aが第1伝熱ステージ52aから物理的に離れ、第2冷却ステージ22bが第2伝熱ステージ52bから物理的に離れる。コールドヘッド20aと真空容器30内の被冷却物との熱的な結合は解除され、極低温冷凍機20から真空容器30内の被冷却物への伝熱経路は遮断される。コールドヘッド20aが輻射熱シールド40および超伝導コイル12よりも高い温度例えば室温に昇温されたとしても、真空領域32が真空に保たれている限り、コールドヘッド20aから輻射熱シールド40および超伝導コイル12への熱的な影響は限定的であるか、無視しうる。よって、輻射熱シールド40および超伝導コイル12はコールドヘッド20aと異なる温度(例えば極低温)に維持することができる。
コールドヘッド20aと被冷却物との熱的な結合を解除している間に、極低温冷凍機20のメンテナンスを行うことができる。極低温冷凍機20を被冷却物から熱的に切り離すことによって、被冷却物を極低温に保持した状態で(あるいは温度上昇を最小限に抑えながら)、極低温冷凍機20の冷却運転を停止して室温へと昇温し、極低温冷凍機20のメンテナンスをすることができる。メンテナンスが終了したら、極低温冷凍機20の冷却運転が再開される。コールドヘッド20aが十分に冷却されたときコールドヘッド20aと被冷却物を再び結合し、極低温装置10の運転を再開することができる。被冷却物をコールドヘッド20aとともに室温に昇温して極低温冷凍機20にメンテナンスを施す場合に比べて被冷却物の再冷却時間を短縮することができ、メンテナンスの所要時間を短くすることができる。
上述のように、従来のコールドヘッド装着構造、すなわちメンテナンススリーブは、真空容器の気密性を保つように構成され、真空容器の壁から内部へと延びており、このスリーブの内側にコールドヘッドが取り外し可能に装着される。極低温冷却中、コールドヘッドをスリーブに良好に熱接触させるためにコールドヘッドがメンテナンススリーブに強い力で押し付けられるので、メンテナンススリーブはこれに耐えるよう頑丈でなければならない。また、メンテナンススリーブによってコールドヘッド周囲の空間が真空容器内の真空領域から隔絶されるから、メンテナンススリーブには気密性を保持する構造が求められる。これらの要件を満たすために、メンテナンススリーブは、比較的複雑な構造をとり、また製造コストも高くなりがちである。
これに対して、実施の形態によると、スリーブレス、つまりスリーブを持たないコールドヘッド装着構造50を提供することができる。コールドヘッド装着構造50は、非気密性の支持構造56を有し、コールドヘッド20aは真空容器30内の真空領域32にさらされる。支持構造56は、気密スリーブを要しない。コールドヘッド装着構造50は、比較的簡素な構造で実現でき、製造コストも抑えられる。
メンテナンススリーブのように気密スリーブの場合、万一発生した過剰なスリーブ内圧を解放するための安全弁を設置することが実用上望まれる。しかし、実施の形態によると、コールドヘッド装着構造50は気密スリーブを要しないから、こうした安全弁も不要である。また、メンテナンススリーブの場合、真空容器内の機器への配線のために真空容器に設けられるフィードスルー部とメンテナンススリーブ内のコールドヘッドへの配線のためのフィードスルー部を別々に設ける必要がある。しかし、実施の形態によると、これら配線をまとめることもできる。これらの要因も、製造コストの低減に役立つ。
実施の形態に係るコールドヘッド装着構造は、上述の特定の実施の形態には限定されず、ほかにも様々な形態をとりうる。いくつかの具体例を述べる。
図6は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造に用いられうる第1伝熱ステージ52aの例を模式的に示す斜視図である。図6に示されるように、第1伝熱ステージ52aには補強部76が設けられてもよい。補強部76は、第1冷却ステージ22aと接触する第1接触面72(図4(a)参照)とは反対側の面例えば下面に設けられてもよい。補強部76は、中心開口71と第1ガイド穴73を避けて配置されてもよい。補強部76は、第1伝熱ステージ52aと一体形成され、第1伝熱ステージ52aに取り付けられた補強リブであってもよく、補強リブは、径方向または周方向またはその他の方向に延びていてもよい。補強部76を設けることにより、第1冷却ステージ22aが第1伝熱ステージ52aに押し付けられたときの第1伝熱ステージ52aの変形を抑制することができる。なお第2伝熱ステージ52bも同様に、補強部76を有してもよい。
図7(a)は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造に用いられうる第2伝熱ステージ52bの例を模式的に示す斜視図であり、図7(b)は、図7(a)に示される第2伝熱ステージ52bを組み込んだコールドヘッド装着構造50の一部を模式的に示す図である。図7(a)に示されるように、第2伝熱ステージ52bはフランジ部77を有してもよい。このフランジ部77は、第2冷却ステージ22bと接触する第2接触面74を有する第2伝熱ステージ52bの本体部分の下部から径方向外向きに延出している。第2ガイド穴75はフランジ部77に形成されている。このように第2伝熱ステージ52bの下側にフランジ部77を設けることにより、図7(b)に示されるように、第1伝熱ステージ52aからフランジ部77への距離を広くすることができ、第1伝熱ステージ52aから第2伝熱ステージ52bへと延びる支持棒66の部分を長くすることができる。これは、第1伝熱ステージ52aから第2伝熱ステージ52bへの侵入熱を低減することに役立つ。
なお、同様にして、第1伝熱ステージ52aにフランジ部77が設けられ、それにより支持棒66が固定された真空容器30の壁から第1伝熱ステージ52aのフランジ部77への距離を広げ、真空容器30から第1伝熱ステージ52aへと延びる支持棒66の部分を長くしてもよい。これは、真空容器30から第1伝熱ステージ52aへの侵入熱を低減することに役立つ。
図8は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造50に用いられうる非気密性の支持構造56の例を模式的に示す図である。図8に示されるように、支持構造56は、支持棒66どうしをつなぐ第1補強材78a、第2補強材78b、および第3補強材78cを備える。第1補強材78aは、周方向に隣接する支持棒66を真空容器30と第1伝熱ステージ52aとの間で接続する。第2補強材78bは、周方向に隣接する支持棒66を第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bの間で接続する。第3補強材78cは、第2伝熱ステージ52bを貫通した支持棒66の先端どうしを接続する。これら補強材により、コールドヘッド20aがコールドヘッド装着構造50に押し付けられたときの支持構造56の変形を抑制することができる。なお第1補強材78a、第2補強材78b、および第3補強材78cのうちいずれかが省略されてもよい。
図9は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造50の他の例を模式的に示す図である。コールドヘッド装着構造50は、気密接続部54と非気密性の支持構造56が取り付けられ、真空容器30から取り外し可能なマウント部80を備えてもよい。マウント部80は、その中心部にコールドヘッド挿入口31を有する板状の部材であり、例えば円板形状をもつ。コールドヘッド装着構造50は、真空容器30の開口部をマウント部80で塞ぐようにしてマウント部80を真空容器30に取り付けることによって真空容器30に設置される。マウント部80には、マウント部80と真空容器30に挟み込まれるOリングなどのシール部材81が装着されていてもよく、これにより、マウント部80を真空容器30に取り付けたとき真空容器30の気密性が維持される。マウント部80には、上述の昇降機構64(図9には図示せず)を取り外し可能に取り付けることができる。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。
上述の実施の形態では、支持棒66が真空容器30から延び第1伝熱ステージ52aを貫通して第2伝熱ステージ52bに達している。このように第1伝熱ステージ52aと第2伝熱ステージ52bが1本の支持棒66に沿って設けられることは必須ではない。ある実施の形態では、支持構造56は、真空容器30から第1伝熱ステージ52aへと延びる支持棒の第1部分と、第1伝熱ステージ52aから第2伝熱ステージ52bへと延びる支持棒の第2部分とを有してもよい。この場合、支持棒の第1部分と第2部分は、径を異ならせたり、あるいは設置本数を異ならせてもよい。支持棒の第1部分と第2部分は、第1部分に対して第2部分が径方向内側に配置される等、異なる配置とされてもよい。
上述の実施の形態では、支持棒66は、コールドヘッド20aの中心軸と平行に直線的に延びているが、これに限られない。支持棒66は、コールドヘッド20aの中心軸に対して斜めに延びていていもよいし、コールドヘッド20aの周りでらせん状に延びていてもよい。このようにすれば、支持棒66の長さを長くすることができ、支持棒66を通じた真空容器30から第1伝熱ステージ52aまたは第2伝熱ステージ52bへの侵入熱を低減することに役立つ。
上述の実施の形態では、支持構造56は、複数の支持棒66を備えるが、他の形状を有してもよい。例えば、支持構造56の一部(例えば、真空容器30を第1伝熱ステージ52aに接続する部分)が、コールドヘッド20aを囲む筒状の形状を有してもよい。
上述の実施の形態では、極低温冷凍機20が二段式のGM冷凍機である場合を例として説明しているが、極低温冷凍機20は、単段式のGM冷凍機であってもよい。この場合、コールドヘッド装着構造50は、コールドヘッド20aが1つの冷却ステージ22をもつことに対応して、1つの伝熱ステージ52を有する。また、極低温冷凍機20は、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
10 極低温装置、 14 周囲環境、 20a コールドヘッド、 22 冷却ステージ、 28 取付フランジ、 30 真空容器、 31 コールドヘッド挿入口、 32 真空領域、 50 コールドヘッド装着構造、 52 伝熱ステージ、 54 気密接続部、 56 支持構造、 60 気密隔壁、 64 昇降機構、 66 支持棒、 80 マウント部。
Claims (9)
- 真空容器内の真空領域に配置され、前記真空容器に対するコールドヘッドの移動により前記コールドヘッドの冷却ステージと接触または離間する伝熱ステージと、
周囲環境から前記真空領域を隔絶するとともに前記真空容器に対する前記コールドヘッドの移動を許容するように前記コールドヘッドを前記真空容器に接続する気密接続部と、
前記伝熱ステージを前記真空容器に支持し、前記コールドヘッドの前記冷却ステージが前記真空領域にさらされるように前記コールドヘッドの周囲に配置される非気密性の支持構造と、を備えることを特徴とするコールドヘッド装着構造。 - 前記非気密性の支持構造は、前記真空容器のコールドヘッド挿入口から前記伝熱ステージへと延びる複数の支持棒を備えることを特徴とする請求項1に記載のコールドヘッド装着構造。
- 前記非気密性の支持構造は、前記複数の支持棒に装着されたスプリング部を備え、
前記複数の支持棒は、前記スプリング部を介して前記伝熱ステージを弾性的に支持するとともに、前記コールドヘッドの移動方向における前記伝熱ステージの移動をガイドすることを特徴とする請求項2に記載のコールドヘッド装着構造。 - 前記非気密性の支持構造は、前記真空容器の前記コールドヘッド挿入口に近づく方向の前記伝熱ステージの移動に関してその移動量を規制するストッパーを備えることを特徴とする請求項3に記載のコールドヘッド装着構造。
- 前記複数の支持棒のうち少なくとも1つの支持棒は、中空であることを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載のコールドヘッド装着構造。
- 前記気密接続部は、前記コールドヘッドの移動方向に伸縮可能な気密隔壁を備えることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のコールドヘッド装着構造。
- 前記コールドヘッドは、前記真空容器の外に配置され前記真空容器に取り付けられる取付フランジを備え、
前記コールドヘッド装着構造は、前記取付フランジを前記真空容器に対して昇降させる昇降機構を備えることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のコールドヘッド装着構造。 - 前記気密接続部と前記非気密性の支持構造が取り付けられ、前記真空容器から取り外し可能なマウント部をさらに備えることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のコールドヘッド装着構造。
- 真空領域を内部に定める真空容器と、
冷却ステージを備え、前記真空容器に装着されるコールドヘッドと、
前記真空容器内の前記真空領域に配置され、前記真空容器に対する前記コールドヘッドの移動により前記コールドヘッドの前記冷却ステージと接触または離間する伝熱ステージと、
周囲環境から前記真空領域を隔絶するとともに前記真空容器に対する前記コールドヘッドの移動を許容するように前記コールドヘッドを前記真空容器に接続する気密接続部と、
前記伝熱ステージを前記真空容器に支持し、前記コールドヘッドの前記冷却ステージが前記真空領域にさらされるように前記コールドヘッドの周囲に配置される非気密性の支持構造と、を備えることを特徴とする極低温装置。
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